Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 4/2016 [59]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

1. Sơ lược về cấu trúc kháng thểKháng thể gồm có 5 loại cơ bản khác nhau

về chức năng miễn dịch là IgG, IgA, IgM, IgDvà IgE. Mỗi loại kháng thể được cấu tạo bởi 2chuỗi nặng giống hệt nhau (kí hiệu là H) và 2chuỗi nhẹ cũng giống hệt nhau (kí hiệu là L)(Hình 1A). Về mặt chức năng, kháng thể đượcchia thành 2 vùng lớn là vùng ổn định C (con-

K háng thể là một glycoprotein miễn dịch (immunoglobulin-Ig) được tạo ra từ tế bàolympho B (chủ yếu là tương bào sản sinh kháng thể có nhiệm vụ “bắt giữ” khángnguyên), có khả năng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên đã kích thích sinh ra nó

[6]. Kháng thể được Von Bering và Kitasato phát hiện từ những năm đầu (1890) của lịch sửmiễn dịch học [2]. Cho đến nay, kháng thể đã được nghiên cứu và hiểu khá rõ ở mức độ phântử. Về mặt di truyền học, điểm đáng chú ý của hệ miễn dịch là cách cơ thể tổng hợp các khángthể đặc hiệu với mỗi loại kháng nguyên vốn có mức độ đa dạng dường như không giới hạn.Câu hỏi đặt ra là: bằng cách nào mà một cơ thể động vật có thể tạo ra số loại kháng thểnhiều hơn số gen trong hệ gen của chúng. Câu trả lời là hệ thống miễn dịch của động vật đãphát triển các cơ chế di truyền độc đáo cho phép nó tạo ra một số lượng gần như không giớihạn các chuỗi nặng (Heavy chain - H) và các chuỗi nhẹ (Light chain - L) khác nhau, trong đó,cơ chế quan trọng nhất chính là “sắp xếp lại” các phân đoạn gen riêng biệt với nhau [1].

CƠ CHẾ DI TRUYỀN TẠO NÊN SỰ ĐA DẠNG CỦA KHÁNG THỂ Ở ĐỘNG VẬT

n Nguyễn Thị ThảoKhoa Sinh học, Đại học Vinh

stant region) đáp ứng miễn dịch và vùng V (variable re-gion) có khả năng biến đổi (thay đổi cấu trúc phù hợpvới cấu hình của kháng nguyên) [2]. Mỗi vùng V gồmcó 7 vùng nhỏ: 3 vùng biến đổi về trình tự (comple-mentarity determining region - CDR) xác định bổ thểvà 4 vùng khung (FR) ổn định về trình tự. Ba vùngCDR của chuỗi nặng bắt cặp với 3 vùng CDR của chuỗinhẹ tạo thành vị trí liên kết với kháng nguyên [2].

Hình 1. Cấu trúc của một phân tử kháng thể. A. Cấu trúc gồm 2 chuỗi nặng (H) giống hệt nhau và 2 chuỗi nhẹ (L)giống hết nhau. |—◆—|: liên kết disulfide giữa chuỗi nặng và chuỗi nhẹ; giữa chuỗi nặng và chuỗi nặng. B. VL: vùngbiến đổi của chuỗi nhẹ; CL: vùng ổn định của chuỗi nhẹ; VH: vùng biến đổi của chuỗi nặng; CH1, CH2 và CH3: các

vùng ổn định của chuỗi nặng [9].

A B

vùng khung

Vùng xác địnhbổ thể

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 4/2016 [60]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

các phân đoạn nhỏ (các đoạn ADN ngắn), nhữngphân đoạn này có thể tổ hợp lại theo các cáchkhác nhau để tạo thành các trình tự phù hợp trongquá trình biệt hóa các tế bào sinh sản kháng thể.

Có 3 cơ chế chính dẫn đến sự đa dạngkháng thể ở động vật là: (1) sắp xếp lại cácphân đoạn gen V(D)J (Hình 1B); (2) sựchuyển đổi loại kháng thể và (3) siêu độtbiến tế bào soma.

2.1. Sắp xếp lại các phân đoạn gen V(D)JTrong tế bào gốc của cơ thể động vật vốn

đã có một số lượng lớn các phân đoạn gen V, Jvà D mã hóa các chuỗi kháng thể đã góp phầnđáng kể vào sự đa dạng kháng thể, nhưng việcsắp xếp các phân đoạn gen này thông qua quátrình sắp xếp lại vị trí đặc hiệu được gọi là quátrình nối V(D)J (nối V và J ở chuỗi nhẹ; nốiV, D và J ở chuỗi nặng) còn làm tăng sự đadạng kháng thể lên đến mức gần như vô hạn.Các đoạn V, J và D có khả năng sắp xếp lạinhư vậy là nhờ sự có mặt của các trình tự tínhiệu sắp xếp lại nằm trong mỗi đoạn đó (Hình2). Do đó, sự đa dạng hóa tổ hợp các phânđoạn gen V, J và D là một cơ chế đa dạng hóakháng thể [1, 2].

Các kháng thể IgM, IgD, IgA, IgE và IgG lần lượtmang các chuỗi nặng là µ, δ, α, ε và γ; các chuỗi nhẹ cóthể là κ hoặc λ ở cả 5 loại. Ở người có 2 loại phụ IgA và4 loại phụ IgG. Các loại phụ này khác biệt nhỏ về cấutrúc chuỗi nặng. Các chuỗi nặng và nhẹ được nối vớinhau chủ yếu bằng các liên kết (cầu nối) disulfide quađó tạo thành kháng thể có hình chữ Y (chạc 3). Số lượngliên kết disulfide giữa chuỗi nặng và nhẹ khác nhau ởcác loại kháng thể khác nhau. Mỗi chuỗi nặng và chuỗinhẹ của một kháng thể đều có vùng biến đổi V (trình tựaxit amin không ổn định) và vùng ổn định C (trình tựaxit amin ổn định). Trong đó, trình tự axit amin của vùngV xác định đặc trưng kháng thể tương ứng với khángnguyên đã kích thích sinh ra nó.

Mỗi tương tác kháng nguyên - kháng thể xảy ra giữaparatope (là vị trí ở trên kháng thể nhận diện khángnguyên) và epitope - quyết định kháng nguyên (là vị trítrên kháng nguyên liên kết với paratope trên kháng thể).

2. Cơ chế di truyền tạo nên sự đa dạng kháng thểở động vật

Các nghiên cứu cho thấy rằng, các tế bào lympho sửdụng hơn 500 gen khác nhau để mã hóa một số lượngkhổng lồ các thụ thể đặc hiệu kết hợp với kháng nguyên[4]. Trong hệ gen, thông tin di truyền (trên ADN) mã hóacho các chuỗi nặng và nhẹ của kháng thể được lưu giữ trong

Hình 2. Sự định vị của các nhóm gen mã hóa chuỗi nặng H, chuỗi nhẹ κ và λ trên các nhiễm sắc thể [2].

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 4/2016 [61]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

nhất 120-144 (30 Vλ × 4 J λ đến 36 Vλ × 4 Jλ)vùng V-J khác nhau có thể được tạo thànhthông qua quá trình sắp xếp lại để tạo thànhchuỗi nhẹ λ; có ít 6318 (39 VH × 27 DH × 6JH) vùng V-D-J khác nhau được tạo thànhthông qua quá trình sắp xếp lại để tạo thànhchuỗi nặng [1, 2].

2.2. Sự chuyển đổi loại kháng thể

Hình 2 cho thấy, ở người, các phân đoạn gen liênquan đến sự tạo thành chuỗi nhẹ κ nằm trên nhiễm sắcthể số 2 gồm 40 phân đoạn V và 5 phân đoạn J. Trongquá trình sắp xếp lại các phân đoạn, bất kỳ phân đoạnnào trong 40 phân đoạn V của gen κ cũng có thể ghépvới bất kì phân đoạn J. Do đó, ít nhất 200 (40 Vκ × 5Jκ) vùng V-J khác nhau được tạo thành thông qua quátrình sắp xếp lại biểu hiện chuỗi κ. Tương tự, có ít

Hình 4. Một ví dụ về sự sắp xếp lại ADN xảy ra trong quá trình sắp xếp lại chuyển đổi loại. Một tế bào B tạomột kháng thể IgM từ một trình tự VDJ (đã được sắp xếp) bị kích thích bởi kháng nguyên và nhờ cytokine (đượctạo bởi tế bào tế bào hỗ trợ T) chuyển đổi tạo kháng thể IgA. Trong quá trình đó, vùng ADN giữa trình tự VDJ và

trình tự mã hóa Cα bị loại bỏ [1].

Hình 3. Sự sắp xếp chuyển đổi loại kháng thểNguồn: Elsevier’s Integrated Review Immunology and Microbiology, Ze

Sự sắp xếp các phân đoạn genchuỗi nặng trong tế bào B

Chuỗi nặng trưởngthành (IgG1)

Loại bỏ ADN bằng cách cắtvà nối lại các trình tự ADN

chuyển đổi gần

trình tự chuyển đổi

Phiên mã và dịch mã

Chuỗi nặng trưởngthành (IgA2)

Chuỗi nặng trưởngthành (IgE)

Tác động của cytokinetế bào T

Tạp chíKH-CN Nghệ An

SỐ 4/2016 [62]

NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI

các trình tự khung ngay cạnh, nhưng mục tiêucủa đột biến là các điểm nóng có trình tự đặctrưng WRCY (W = A hoặc T, R = A hoặc G,C, Y = T hoặc C) và WA [5]. Khả năng siêuđột biến ở các vùng mã hóa vị trí liên kếtkháng nguyên có vai trò quan trọng. Nếukhông có khả năng này, sự đa dạng của khángthể chỉ đơn thuần phụ thuộc vào sự sắp xếp lạiADN trong quá trình biệt hóa các tế bào thuộchệ miễn dịch. Trong khi đó, virus và tác nhângây bệnh vốn có thể biến đổi không ngừng đãtạo ra vô số các dạng kháng nguyên khác nhau.Để có hệ thống phòng thủ đủ mạnh chống lạinhững biến đổi này, các gen mã hóa kháng thểđược trang bị một cơ chế bổ sung là khả năngsiêu đột biến. Nhờ vậy, cơ chế đáp ứng đượccác loại kháng nguyên mới xuất hiện./.

Tài liệu tham khảo:1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002).

Molecular biology of the Cell. 4th edition. New York:Garland Science.

2. Harry W., Schroeder Jr., and Lisa Cavacini(2010), “Structure and function of immunoglobu-lins”. Journal of Allergy and Clinical Immunology,125 (2), pp. S41-S52.

3. Jun-Ming Zhang, MSc, MD and Jianxiong An,MSc, MD (2007), “Cytokines, Inflammation andPain”, Spring, 45(2), pp 27-37.

4. Kathleen Park Talaro and Barry Chess (2012).Foundations in microbiology. Eighth edition. Mc-Graw-Hill Companies.

5. Kinoshita, K. and Honjo, T. (2001), “Linkingclasswitch recombination with somatic hypermuta-tion”, Nat. Rev. Mol. Cell.Biol., 2, pp. 493-503.

6. Litman GW, Rast JP, Shamblott MJ, Haire RN,Hulst M, Roess W, Litman RT, Hinds-Frey KR, ZilchA, Amemiya CT (1993). "Phylogenetic diversifica-tion of immunoglobulin genes and the antibody reper-toire", Mol. Biol. Evol., 10 (1), pp. 60-72.

7. Loeb, L. A. (1989), "Endogenous carcinogen-esis: Molecular oncology into the twenty-first cen-tury--presidential address". Cancer Research, 49(20), pp. 5489-5496.

8. Rajewsky, K., Forster, I., and Cumano, A.(1987), “Evolutionary and somatic selection of theantibody repertoire in the mouse”, Science, 238, pp.1088-1094.

9. Thomas Boenisch (2006). ImmunohistochemicalStaining Methods: Antibodies, fifth edition. Dako.

10. Ziqiang Li, Caroline J. Woo, Maria D. Igle-sias-Ussel (2004), “The generation of antibody diver-sity through somatic hypermtation and class switchrecombination”, Genes Dev, 18, pp. 1-11.

Trong quá trình phát triển các tế bào B, nhiều tế bàochuyển từ tạo loại kháng thể này sang tạo loại kháng thểkhác gọi là quá trình chuyển đổi loại kháng thể. Bìnhthường, trong tủy xương, tất cả các tế bào B đáp ứngkháng nguyên đều bắt đầu tổng hợp kháng thể bằng việctạo các phân tử IgM và gắn vào màng tế bào B làm cácthụ thể của kháng nguyên. Tế bào B có IgM ở bề mặt sẽrời tủy xương đi vào máu, ở đó tế bào B biểu hiện thêmkháng thể IgD làm các thụ thể gắn với kháng nguyên trênmàng tế bào. Hai kháng thể này chỉ khác nhau ở vùngđáp ứng miễn dịch (vùng ổn định), còn giống nhau ởvùng liên kết kháng nguyên (đều là kết quả dung hợpgiữa các phân đoạn VκJκ hoặc VλJλ với các phân đoạnVHDJH cùng loại) (Hình 3). Sau đó, trong quá trình đápứng miễn dịch, sự kết hợp giữa kháng nguyên và cy-tokine (là protein nhỏ, được tiết ra bởi nhiều loại tế bàokhác nhau, nhưng chủ yếu là các tế bào hỗ trợ T và đạithực bào, ảnh hưởng đến sự tương tác và thông tin giữahai tế bào với nhau) [2] cùng với kháng nguyên kíchthích tế bào B tạo các kháng thể IgG, IgE hoặc IgA thôngqua thay đổi chuỗi nặng (vì vùng ổn định của chuỗi nặngquyết định loại của kháng thể). Do đó, các kháng thểIgG, IgE và IgA được gọi là các loại kháng thể thứ cấp,bởi vì nó được tạo ra sau khi có sự kích thích của khángnguyên và chúng đáp ứng kháng thể thứ cấp [1, 2]. Khixảy ra chuyển đổi loại, các đoạn intron (trình tự khôngmã hóa) và những gen không dùng đến kể cả gen Cµ vàCδ (là những gen nằm gần V, D và J) sẽ bị loại bỏ. Loạikháng thể được tạo ra sau mỗi lần sắp xếp lại được quyđịnh bởi phân đoạn CH còn lại nằm gần nhất với phânđoạn LHVHDJH [1] (Hình 3). Hình 4 thể hiện một tếbào B tạo một kháng thể IgM từ một trình tự VDJ bị kíchthích bởi kháng nguyên và cytokine chuyển đổi tạokháng thể IgA. Trong quá trình đó, vùng ADN giữa trìnhtự VDJ và trình tự Cα bị loại bỏ.

2.3. Siêu đột biến ở tế bào somaMột cơ chế đa dạng kháng thể khác là biến đổi kháng

thể do sự cảm ứng của kháng nguyên. Cùng với sự hỗtrợ của tế bào T, các gen thuộc vùng biến đổi của các tếbào lympho tiền thân trải qua quá trình siêu đột biến tếbào soma (SHM) với tần số lên đến 10-5-10-3 đột biến/1bp/mỗi thế hệ ở chuột và người. Tỷ lệ đột biến này caohơn 1 triệu lần so với tỷ lệ đột biến tự nhiên ở hầu hếtcác gen khác [8]. Các đột biến chủ yếu là thay thế cácbase đơn lẻ, ngoài ra còn có đột biến thêm và mất base.Những đột biến này xảy ra ở vùng V, từ vị trí 150-200bp và kéo dài đến gần 1,5kb ngược chiều với promoter,trước khi kết thúc trình tự tăng cường intron (Eµ). Cònở vùng C ít khi xảy ra các đột biến này [10]. Mặc dù cácđột biến có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào của vùng V và